大截面光纖傳像束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

大截面光纖傳像束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

傳像束的光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光學(xué)成像設(shè)備相比，光纖傳圖束具有傳象性好、使用空間自由度大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的圖像傳輸，并在強(qiáng)電磁干燥和腐蝕下工作。由于其特有的不可替代的特性,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科研、軍事等眾多領(lǐng)域。傳像束兩端面的光纖呈一一對應(yīng)的排列,因此出射圖像和入射圖像基本一致,出射圖像通過目鏡(耦接鏡)供人眼直接觀察或者耦接CCD監(jiān)視。典型的傳像束光學(xué)系統(tǒng)主要由前置物鏡、傳像束、目鏡(耦接鏡)等組成。隨著CCD成像技術(shù)和大截面光纖傳像束技術(shù)的發(fā)展,對傳像束光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、傳光特性和體積重量提出了更高的要求,傳統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)不能滿足要求,必須對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。1預(yù)體積測量設(shè)計1.1孔徑光程度的選取傳像束實(shí)際上是利用單根光纖的傳光來達(dá)到其傳像目的。因此,在傳像束前置光學(xué)物鏡設(shè)計時,一定要滿足光纖的全反射條件。在設(shè)計時,僅僅使前置光學(xué)系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑與傳像束的物方數(shù)值孔徑相匹配是不夠的。因?yàn)檩S上物點(diǎn)的成像光束關(guān)于光軸對稱,能全部進(jìn)入傳像束。而軸外物點(diǎn)成像光束關(guān)于主光線對稱,其一部分上光線或一部分下光線的入射角將會超過傳像束的數(shù)值孔徑角,導(dǎo)致被攔光。為了保證軸上物點(diǎn)和軸外物點(diǎn)的全部成像光束都能進(jìn)入傳像束中傳播,應(yīng)將前置光學(xué)物鏡設(shè)計成像方遠(yuǎn)心光路。將孔徑光闌置于光學(xué)系統(tǒng)的前焦點(diǎn)處,如圖1所示,可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心光路。但是,在寬視場的條件下,將孔徑光闌置于光學(xué)系統(tǒng)的前焦點(diǎn)處,將造成光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸過大,隨之質(zhì)量也過大。因此,我們采用將孔徑光闌置于光學(xué)系統(tǒng)中間,光學(xué)系統(tǒng)的前組為負(fù)光焦度,孔徑光闌處于光學(xué)系統(tǒng)后組的前焦點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)形式,可以保證光學(xué)系統(tǒng)具有比較小的體積和重量,如圖2所示。如果光學(xué)系統(tǒng)的前組為正光焦度,難以形成寬視場光學(xué)系統(tǒng)。為了保證傳像束光學(xué)系統(tǒng)最終的成像質(zhì)量,前置光學(xué)物鏡的極限空間分辨率應(yīng)該大于傳像束的極限分辨率。在對前置光學(xué)物鏡設(shè)計時,軸外像差校正一般比較困難,如果像差平衡得不好,特別是像面場曲校正得不好,就會出現(xiàn)軸外像面模糊,甚至因光纖的彌散性而使得軸外像面的輕度失真。為了提高成像質(zhì)量,同時使系統(tǒng)的體積和重量得到控制,可以適當(dāng)?shù)匾敕乔蛎?尤其是高次非球面。1.2前置光學(xué)物鏡我們需要設(shè)計的傳像束光學(xué)系統(tǒng),工作波長為0.8～1.1μm,2ω=60°。CCD探測器有效光敏面尺寸為4.9mm×3.6mm(對角線6mm),像元尺寸6.50μm×6.25μm。為了提高成像質(zhì)量,采用大截面光纖傳像束,單絲直徑16μm,截面直徑Ф6mm。選擇兩組結(jié)構(gòu)簡單,光焦度分配為“負(fù)-正”形式的透鏡組作為前置光學(xué)物鏡初始結(jié)構(gòu),滿足像方遠(yuǎn)心要求。通過計算和ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件的優(yōu)化,得到如圖3所示,由7塊鏡片組成的前置光學(xué)物鏡,該物鏡焦距5mm,入瞳口徑1.3mm,視場角為60°。大截面光纖傳像束單絲直徑16μm,采用六角形序排列,根據(jù)奈奎斯特定理,其極限分辨率為34lp/mm。而前置光學(xué)物鏡在34lp/mm空間頻率處各個視場的MTF值均大于0.81,表明其像質(zhì)優(yōu)良。圖4是物鏡的傳遞函數(shù)曲線。該前置物鏡具有比較小的體積和重量。2公司的注入鏡設(shè)計2.1折衍混合催化鏡成像系統(tǒng)設(shè)計為了保證光束銜接的匹配,耦接器也應(yīng)設(shè)計成物方遠(yuǎn)心光路。根據(jù)使用要求,傳像束出射圖像與CCD光敏面之間一般要求接近1:1耦合,因此耦接CCD的光學(xué)系統(tǒng)一般采用雙高斯結(jié)構(gòu),圖5是一種典型的采用物方遠(yuǎn)心設(shè)計的雙高斯光學(xué)耦接系統(tǒng)。自二十世紀(jì)80年代美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室提出二元光學(xué)的概念后,衍射光學(xué)在國際上得到迅速發(fā)展。在成像系統(tǒng)中,衍射光學(xué)元件與傳統(tǒng)的折射、反射元件混合使用,綜合平衡,給系統(tǒng)的設(shè)計引入了新的自由度,為提高系統(tǒng)性能、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕系統(tǒng)重量提供了新的可能性?？紤]到國內(nèi)衍射透鏡加工工藝條件,因此設(shè)計帶有衍射面單透鏡來代替雙膠合透鏡,構(gòu)成折衍混合耦接鏡系統(tǒng)。單透鏡選擇平凸基底結(jié)構(gòu)形式,以使得初始的基底像差最小。通常,設(shè)旋轉(zhuǎn)對稱二元光學(xué)衍射面的相位函數(shù)為若對于波長為λ,衍射級次為m(不特別指明,一般取m=1)設(shè)計衍射光學(xué)器件,則相位函數(shù)中的二次相位系數(shù)A1由傍軸光焦度φ決定折衍混合器件消球差則可得由式(3)可以確定四次相位系數(shù)A2的初始取值。2.2折-衍混合系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果我們需要設(shè)計的系統(tǒng),焦距33.6mm,視場(物高)為6mm。首先,將圖5中的雙膠合透鏡由一個折-衍單透鏡代替。設(shè)計折衍混合透鏡時,只選一個面為衍射面,可以使系統(tǒng)具有較高的光能利用率,且雜散光較少,對于克服“鬼像”和提高像質(zhì)十分有利。根據(jù)2.1節(jié)討論的設(shè)計方法,可以確定衍射面的A1、A2,得到折衍單透鏡的初始結(jié)構(gòu)形式。采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行優(yōu)化,得到了最終的設(shè)計結(jié)果,具體的參數(shù)見表1。圖6是折-衍混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,光闌后第一個透鏡的后表面是衍射光學(xué)面。折-衍混合耦接系統(tǒng)中,衍射面的基底為平面,實(shí)際半徑為2.56mm,最終優(yōu)化得到衍射面的A1和A2分別為-119.599005和72.966425;當(dāng)刻蝕臺階數(shù)為8,對應(yīng)最小特征尺寸為28.2μm,現(xiàn)有的制作工藝可以制作這個衍射面。由于衍射光學(xué)面優(yōu)良的像差平衡能力,其它光學(xué)鏡片的體積大大減少,最終得到的折-衍混合耦接系統(tǒng),與傳統(tǒng)的雙高斯耦接光學(xué)系統(tǒng)比較,在長度和外徑基本不變情況下,重量減輕了55%,如表2所示。成像質(zhì)量得到了很大程度的改善,如表3所示。遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的設(shè)計為了使前置物鏡結(jié)構(gòu)緊湊,小型化,并且保證一定的成像質(zhì)量,不能采用傳統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心光路設(shè)計,必須采用負(fù)光焦度透鏡